大型智能環境測試艙的研制

李楠 常兵 于濤

【摘要】 本文介紹了一款大型智能環境測試艙，有效測試體積5～30 m3可調，解決了大型環境測試艙的凝露問題，可以實現各類家具產品有毒有害揮發性氣體的整體檢驗。硬件設計中為控制系統預留多項可調節功能部件，解決了理論計算與實際調試的不一致性。對環境測試艙運行穩定后的風速、溫度、濕度及有毒氣體本底值指標進行連續測試，其各項指標均在國家相關檢驗標準要求以上。

【關鍵詞】 智能環境測試艙;有毒有害;揮發性氣體;本底值

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2019.02.015

Abstract： This paper introduces a large-scale intelligent environmental test chamber，which has adjustable effective test volume of 5～30 m3，which can effectively solve the problem of the large-scale environmental test chamber condensation. It solves the condensation problem of large-scale environment test cabin，and? can achieve overall test for toxic and hazardous volatile gases of all kinds of furniture products. The reservation for a number of adjustable features in the control system hardware design can solve the problem of the inconsistency for the theoretical calculations and the actual debugging. The environmental test chamber continuously test the wind speed，temperature，humidity and toxic gases background value indicators at the? stable operation condition，so that all the indicators have reached the national test requirements above.

Key words： intelligent environmental test chamber;toxic and hazardous;volatile gases;background value

隨著國內經濟的發展，家具制造和家庭裝飾裝修行業迅猛發展，其所造成的室內空氣污染問題也隨之而來。甲醛、氨、TVOC等揮發有毒有害氣體，會嚴重刺激呼吸道，引起呼吸道水腫、眼刺痛、頭痛、粘膜充血、皮膚過敏等現象。然而，在國家現行的標準GB 18584-2001《室內裝飾裝修材料 木家具中有害物質限量》規定的家具檢測項目中，檢測只是針對家具生產原料人造板材，而不是日常生活中所使用的成品家具;在檢測方法上，以成套家具的一小部分板材作為樣品檢測，檢測結果不能真實反映成品家具所有部位的有害物質釋放情況，同時檢驗的取樣過程是破壞性的，這類檢測會給家具行業造成經濟損失。因此，研發可以整體檢測各類家具有毒有害氣體揮發的設備十分必要。

1 大型環境測試艙檢測方法概述

大型環境測試艙法是以艙體模擬室內環境，將家具放置其中并進行檢測的方法。它是一種最接近日常實際使用狀態，對有害物質釋放量進行測試評價的試驗方法。在檢測要求的試驗條件下（穩定的溫度、濕度、艙內空氣流速）將整體家具或建材裝飾材料等放置在艙內，使空氣氣流平穩而均勻地從試樣表面拂過。這一過程持續一定時間后，按照相關國家標準規定采集艙內空氣樣品進行檢測，以確定家具或裝飾材料樣品的環保安全性能[1-3]。本文介紹一種最大有效檢測體積為30 m3的大型智能環境測試艙，主要用于成套家具以及多種建材裝飾材料等有毒有害物質揮發量的測定，其工作原理就是依據上述大型環境測試艙法。

2 大型環境測試艙的設計

大型環境測試艙采用內外艙嵌套結構，環境艙整體尺寸為長7500 mm、寬6000 mm、高4500 mm，內艙體積為30 m3（4000 mm×3000 mm×2500 mm）。分別采用高密度聚氨酯彩鋼板和304鏡面不銹鋼板材料構成。這種設計在調解溫度、濕度、氣流速度時，可以有效抑制艙內室的凝露現象。環境測試艙外層的保溫箱體為100 mm厚高密度聚氨酯彩鋼板，艙內室箱體為2 mm。

厚鏡面不銹鋼板，內艙采用電梯轎廂式結構設計，鋼板采用2 mm厚鏡面不銹鋼板。為確保艙內室的密封，在拼接處貼有薄層硅膠膜。這種設計避免了傳統艙體有凹凸面和焊縫的弊端。工作原理如圖1所示，為保證機械結構穩定，并促進了內艙與嵌套層之間的熱交換，內艙外側設計安裝了不銹鋼翅片組。它不僅能降低能量消耗，同時也減少了溫度達到穩態需要的時間。不銹鋼翅片組可以根據實際情況適當增加或減少，為控制系統預留調節空間[4-5]。

在艙內室長度方向的兩側交錯安裝了循環風道，共計14個循環風道，兩側各7個風道。如圖2所示。每個循環風道之間都是彼此獨立的，即循環風道內的空氣互不干擾。這種設計是為了更好地整體控制內艙氣體流速，使氣流均勻運行。艙內設計安裝了移動隔板，為了實現更好的密封效果，隔板四周設置了航空充氣袋。如果隔板需要移動，需先將充氣袋泄氣，隔板沿導軌直線方向移動，并由導軌支撐實現系統機械結構穩定。環境艙內外艙分別都安裝了艙門，由移動隔板分成兩個測試艙，這兩個測試艙可以同時使用。

3 進風量和風速的控制

為了使內艙循環風的風速達到國家相關檢驗標準要求，用柏努利方程進行計算。

新風量增加和排出量相對30 m3體積可以忽略，并假設測試艙內氣體質量守恒、動量守恒、連續體、不可壓縮（即密度不變以及粘度為零）。在此段流程內無流動阻力，外部沒有做功效應，即能量損失[∑hf=0]，[We=0]，[P1=P2]，（1）式可簡化為：

按GB 50325-2010附錄B要求，測試艙內室風速為0.1～0.3 m/s，按[Z1=0.4] m（距地面高度），[Z2=0.3] m（地面高度+測試艙高），內艙上方的14個均壓室均獨立運行，假設其流入內艙空氣流速在0.1～0.3 m/s范圍內，則對應每個均壓室進入艙內室的空氣流量在0.12～0.36 m3/s（每個均壓室的有效面積約1.2 m2，循環風道橫截面積為0.046 m2）范圍內，由此可得[u1=7.7～10.6] m/s;[u2=2.6～7.8] m/s。

因此，每個風道風機必須保證空氣的最小流速為10.6 m/s，最小流量為0.49 m3/s。風機的選擇和循環風道設計時要有余量，避免因空氣流速快，導致噪聲偏大和艙體震動的不利影響[6-7]。

4 基于PID算法的溫濕度控制

大型環境測試艙的溫濕度控制方案基于傳統PID控制方法設計[8]，PID控制程序算法表達式為：

在溫度控制過程中為避免常見的凝露現象又能使內艙溫度均勻，環境艙采用的是外艙控制內艙的設計方案，即升溫或降溫先作用于外艙，內艙溫度由鏡面不銹鋼板均勻傳熱控制。根據現行的GB 50325-2010附錄A中，對1～40 m3的環境艙測試法中，測試時間長達7～28天;在ASTM E 1333-96（2002）標準中測試時間為16～20小時。因此，溫度控制在1～2小時內達到穩定即可，控制重點在于溫度的均勻性和穩定性。由于大型環境測試艙體積大，內艙中設計了溫度傳感器陣列，控制算法中采用的是這些值的平均值。因此，為了彌補可能出現的個別區域溫度控制缺陷，系統設計了一個特殊控制部分[9]，即每個傳感器實際測量值與設定溫度值的偏差[e（t）k]，再得出它的一階偏差變化率[Δte（t）k]，由控制系統計算綜合數值[Uk]，根據數值對比得出對該傳感器位置采取的控制補償（如增加翅片量）：

由于很好的避免了凝露現象，濕度控制方面直接將調節好濕度的空氣注入內艙即可，由內艙的進風口實時監控即可達到良好效果。

5 大型環境測試艙的性能指標

大型環境測試艙的實物圖如圖3所示，其內部的鏡面設計可以有效避免有毒有害氣體的吸附效應。

環境艙主要性能運行測試結果見圖4，圖5。可以看出，樣機在運行1小時后達到工作狀態，各項運行參數達到了檢驗標準要求;整個系統于2小時進入穩定狀態，溫度在±1 ℃之間波動，濕度在±4%范圍內波動，循環風速穩定在±0.05 m/s范圍內，空氣交換率±3%，艙內壓力（26±1） Pa。結果表明，大型智能環境測試艙各項運行參量都達到了目前國家檢驗標準的要求。

系統運行穩定后，對艙內空氣樣品進行取樣，用去離子水來吸附甲醛，苯類及TVOC由tenax活性炭管吸附，艙內有害物質本底值測定結果見表1。從表1可以看出，大型環境測試艙內有害物質本底值很低，完全符合目前國家檢驗標準要求。

6 結論

根據測試結果，大型環境測試艙體積5～30 m3可調;測試艙內的溫度、濕度以及艙內風速在標準要求范圍內可調;空氣交換率（0～1.0）次/h±0.05次/h可調;空氣流速0.1～0.5 m/s可調;艙內溫度（15.0～45.0） ℃±1.0 ℃可調;相對濕度（30.0～90.0）%±4.0%可調;氣密性1 Pa以上正壓（工作中）;系統穩定后有害物質本底值（PPb）甲醛≤6，TVOC≤25，氨≤10，氡≤10，苯類≤6。基本滿足現行國家檢驗標準的要求，即可實現對整體家具的甲醛會發量等項目進行連續、周期性檢驗。

【參考文獻】

[1] D.Y.Won，C.Y.Shaw.Investigation of building materials as VOC sources in indoor air：Proeeedings of the Joint NSC-NRC Workshop on Construction Technologies[C].TaiPei，2004：173-180.

[2] 室內裝飾裝修材料 人造板及其制品中甲醛釋放限量：GB 18580-2017[S].

[3] 室內裝飾裝修材料 木家具中有害物質限量：GB 18584-2001[S].

[4] 徐志軍.大規模可編程邏輯器件及其應用[M].成都：電子科技大學出版社，2000.

[5] 薛社生，劉全，李守先，等.氯氣/BHP液滴化學反應流動一維數值模擬[J].計算物理，2009（2）：241-246.

[6] She-Sheng X，Ming X U，Xiao-Jian S.2D numerical computation of transverse gaseous flow into a falling drop-field[J].Chinese Journal of Computational Mechanics，2011（1）：102-107.

[7] Traditionally，Are D V，Example F，et al.A Systems Approach to Structural Topology Optimization：Designing Optimal Connections[J].Journal of Mechanical Design，1997（1）：40-47.

[8] 王立新.模糊系統與模糊控制教程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[9] Pierre，Bourque，Serge，et al.Developing Project Duration Models in Software Engineering[J].計算機科學技術學報（英文版），2007（3）：348-357.